Tài liệu Luận Văn PHAO CỨU SINH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG RF

PHAO CỨU SINH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG RF Tác giả Tiểu luận được để trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Giáo viên hướng dẫn i TÓM TẮT Tiểu luận “Phao cứu sinh điều khiển từ xa bằng RF” ứng dụng công nghệ sử dụng tần số vô tuyến (RF) để điều khiển phao cứu sinh tiếp cận người bị nạn nhanh chóng hơn so với cứu hộ viên, khả năng chuyên chở người bị nạn vào bờ bằng động cơ gắn trên thân. Bên cạnh thế mạnh về tốc độ, một lợi ích lớn khi dùng phao cứu sinh điều khiển từ xa để cứu người là không có thêm một người nào bị đặt vào vòng nguy hiểm - vốn là một vấn đề của các cứu hộ viên khi phải tiếp cận những người bị nạn đang rất hoảng loạn. Sau khi hoàn thành, tiểu luận đã đạt được những kết quả sau: - Xây dựng được mô hình phao cứu sinh phù hợp. - Tầm điều khiển của phao hoạt động được khoảng 90 mét. - Vận tốc di chuyển của phao đạt được khoảng 17km/h. - Khả năng chịu tải của phao cứu sinh được khoảng 20kg. Ngoài những kết quả đó thì mô hình vẫn còn sai sót: - Thời gian hoạt động phao thấp (khoảng 10 phút). - Mô hình nhỏ, bộ phận động cơ đẩy có sức đẩy thấp, vận tốc chưa cao. Khuyến cáo khi sử dụng: - Vận hành phao không quá 10 phút. - Khoảng cách điều khiển không được quá 90 mét. - Khối lượng tải phải thấp hơn 20kg. ii MỤC LỤC TÓM TẮT................................................................................................................... iii MỤC LỤC................................................................................................................... iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................vi DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ, HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ............................................vii Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ - TỔNG QUAN – GIỚI HẠN.........................................1 1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1 1.1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay..........................................................1 1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................1 1.2 Tổng quan..............................................................................................................3 1.2.1 Cơ sở lý thuyết..................................................................................................3 1.2.2 Giới thiệu về RF...............................................................................................3 1.2.3 Phao cứu hộ EMILY.........................................................................................4 1.2.4 Động cơ Brushless DC.....................................................................................5 1.2.4.1 Giới thiệu động cơ Brushless DC................................................................5 1.2.4.2 Cấu tạo động cơ BLDC...............................................................................6 1.2.4.3 Cấu trúc động cơ BLDC..............................................................................8 1.2.4.4 Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC..............................................9 1.2.4.4.1 Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hell.............................9 1.2.4.4.2 Điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách điều chỉnh điện áp ngõ vào .........................................................................................................9 1.2.4.4.3 Điều khiển bằng phương pháp PWM.....................................................9 1.2.5 Bộ điều tốc điện tử ESC..................................................................................10 1.2.6 Giới thiệu sơ lược về module Arduino............................................................11 1.2.6.1 Tổng quan về Arduino...............................................................................11 1.2.6.2 Phần cứng..................................................................................................14 1.2.6.3 Module Arduino UNO R3 DIY.................................................................18 1.2.6.4 Giao tiếp giữa Arduino với bộ thu RX.......................................................20 iii 1.2.7 Bộ động cơ đẩy Jet Turbo...............................................................................21 1.3 Giới hạn thực hiện tiểu luận.................................................................................22 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP – PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI..............23 2.1 Phương pháp tiến hành........................................................................................23 2.2 Phương tiện thực hiện..........................................................................................23 Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN.....................24 3.1 Tiến hành phần cứng............................................................................................24 3.1.1 Các bộ phận chính của mô hình......................................................................24 3.1.2 Thực hiện phần thân phao...............................................................................25 3.1.3 Phần động cơ đẩy............................................................................................26 3.1.3.1 Sơ đồ khối bộ phận động cơ đẩy................................................................26 3.1.3.2 Động cơ BLDC A2212/10T 1400KV........................................................27 3.1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.......................................................................29 3.1.5 Sơ đồ lắp ráp mạch điều khiển........................................................................30 3.1.5.1 Khối nguồn................................................................................................30 3.1.5.2 Bộ thu phát RF FlySky GT2......................................................................31 3.1.5.3 Bộ điều tốc điện tử ESC Hot RC 30A.......................................................33 3.1.6 Lưu đồ giải thuật.............................................................................................34 3.2 Kết quả thực hiện.................................................................................................36 3.2.1 Kết quả thực hiện mô hình..............................................................................36 3.2.2 Mạch điều khiển lắp ráp thực tế......................................................................38 3.3 Khảo nghiệm và nhận xét....................................................................................39 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.....................................................................42 4.1 Kết luận................................................................................................................ 42 4.2 Đề nghị................................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................44 PHỤ LỤC...................................................................................................................46 iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT - RF: Radio Frequency - RC: Radio Control - DIY: Do-It-Yourself - IDE: Integrated-Development-Environment - ESC: Electronic Speed Controller - BLDC: Brushless DC - TX: Transmitter - RX: Receiver - BEC: Battery Eliminator Circuit v DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ, HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ Danh sách các bảng số: Bảng 1.1 So sánh giữa hai phương pháp thiết kế truyền thống và với Arduino...........13 Bảng 1.2 Sơ đồ kết nối 2 board Arduino......................................................................19 Bảng 3.1 Kết quả đo vận tốc không tải của phao khi hoạt động...................................39 Bảng 3.2 Kết quả đo khoảng cách nhận tín hiệu điều khiển.........................................40 Bảng 3.2 Kết quả đo khả năng chịu tải của phao cứu sinh...........................................40 Danh sách các hình ảnh, biểu đồ: Hình 1.1 Phao cứu sinh EMILY....................................................................................4 Hình 1.2 Động cơ Brushless DC....................................................................................6 Hình 1.3 Stator động cơ BLDC......................................................................................6 Hình 1.4 Rotor động cơ BLDC......................................................................................7 Hình 1.5 Hall sensor gắn trên Stator..............................................................................7 Hình 1.6 Rotor-surface-mounted magnet.......................................................................8 Hình 1.7 Interior magnets..............................................................................................8 Hình 1.8 Tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha................................9 Hình 1.9 Kết nối ESC với động cơ BLDC...................................................................11 Hình 1.10 Một module Arduino điển hình...................................................................12 Hình 1.11 Phần cứng của Arduino UNO R3................................................................17 Hình 1.12 Arduino DIY...............................................................................................18 Hình 1.13 Arduino UNO R3........................................................................................18 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino...................................................................19 Hình 1.15 Kết nối Arduino với RX..............................................................................20 Hình 1.16 Động cơ Jet Turbo.......................................................................................21 Hình 3.1 Bản vẽ 3D mô hình phao cứu sinh................................................................24 Hình 3.2 Kích thước thân phao....................................................................................25 Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ phận động cơ đẩy...................................................................26 vi Hình 3.4 Động cơ A2212/10T 1400KV.......................................................................27 Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống.....................................................................29 Hình 3.6 Sơ đồ lắp ráp mạch điều khiển......................................................................30 Hình 3.7 Pin Lipo 3S 45C 4200mAh...........................................................................31 Hình 3.8 Bộ thu phát RF FS-GT2................................................................................32 Hình 3.9 Bộ điều tốc ESC Hot RC 30A.......................................................................33 Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật điều khiển phao cứu sinh.................................................35 Hình 3.11 Phao cứu sinh và tay điều khiển TX............................................................36 Hình 3.12 Phao cứu sinh khi hoàn thiện (mặt dưới).....................................................37 Hình 3.13 Mạch điều khiển lắp ráp thực tế..................................................................38 vii Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ - TỔNG QUAN – GIỚI HẠN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa họcc kỹ thuâ ̣t nói chung và ngành Điều khiển tự động hóa nói riêng, điều khiển từ xa là một ứng dụng phổ biến, chúng ta có thể sử dụng tần số vô tuyến để điều khiển thiết bị là một trong những thành tựu cao của Khoa họcc Công nghệ. Ở Việt Nam thì khái niệm điều khiển từ xa tuy không phải là quá mới mẻ nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng cần khai phá và có thể ứng dụng. Trước xu thế phát triển nhanh chóng của điều khiển từ xa, căn cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các thiết bị để phục vụ cho công tác cứu hộ cứu nạn trên môi trường là nước. Tiểu luận đã chọcn hướng nghiên cứu là tìm hiểu về điều khiển từ xa bằng RF và ứng dụng của nó. 1.1.2 Tính cấp thiết của tiểu luận Như các phương tiện đưa tin, khoảng 10h ngày 01/02/2017 (mùng 5 Tết) tại biển Vũng Tàu, các lực lượng cứu hộ đã vớt được thi thể của một nam thanh niên đi tắm biển và bị sóng cuốn đi[1]. Hai đợt mưa lũ lớn ở miền Trung và Tây Nguyên từ ngày 13 đến 18/10/2016 và từ 30/10 đến 7/11/2016 đã làm 59 người chết và 6 người mất tích[2]. Ngày 28/05/2015 tại Sóc Sơn, Hà Nội. Hồ Ngọcc Hải thấy bạn của mình là Hồ Mạnh Sơn đang vùng vẫy giữa đập trữ nước nông nghiệp thì lao ra cứu giúp nhưng cả hai cùng đuối nước[3]. 1 Ngay trong khu vực Thủ Đức, sáng 6/11/2016, nhiều người đang câu cá quanh bờ hồ đá trong khu đô thị ĐH Quốc gia TP.HCM (phường Đông Hòa, thị xã Dĩ An, tỉnh Bình Dương) nghe tiếng kêu cứu thất thanh. Tìm xung quanh, một người đàn ông phát hiện cô gái đang vùng vẫy giữa dòng nước đã bơi ra cứu nhưng không kịp [4]. Và chỉ trước đó đúng một tuần (31/10/2016) nhóm 5 nam nữ thanh niên tuổi 9X cũng bơi ra khu hồ đá (phường Đông Hòa, thị xã Dĩ An, Bình Dương) ngồi hóng gió. Khi trở vào bờ, Lý Trí Tín (19 tuổi, ngụ quận 9) bị đuối nước tử vong. Và hằng năm ở nước ta còn rất rất nhiều trường hợp tử vong do đuối nước như vậy, vì đặc thù địa lý cũng như do thiếu nguồn nhân lực, phương tiện cứu hộ. Trước tình hình cấp thiết như vậy, nếu như các đội cứu hộ cứu nạn được trang bị các thiết bị cứu hộ có khả năng di chuyển nhanh đến nơi người gặp nạn cũng như nhiều vị trí khó khăn mà đội cứu hộ có thể đến được thì ít nhất cũng có thể làm hạn chế được số người tử vong vì thiên tai cũng như tai nạn luôn xảy ra bất ngờ và đe dọca đến tính mạng của con người. Với thực trạng như vậy thì việc triển khai các trang thiết bị có khả năng cứu hộ nhanh, không đặt thêm người nào vào vòng nguy hiểm rất cần thiết, vấn đề đặt ra là chúng ta sẽ sử dụng phương pháp nào cho hiệu quả nhất. Đối với các đội cứu hộ, đâu phải chỗ nào cũng có thể trang bị một chiếc ca nô hoặc mô tô nước với chi phí đắt đỏ và nặng nề, khó vận chuyển linh hoạt đi chỗ này chỗ kia được. Một phương án khác được đặt ra là sử dụng phao cứu sinh điều khiển từ xa, cụ thể là điều khiển bằng RF sẽ khai thác được nhiều lợi thế. Với chi phí để làm ra một chiếc phao như vậy rẻ hơn rất rất nhiều một chiếc ca nô hay là một chiếc mô tô nước, lại có kích thước và khối lượng rất nhỏ để có thể vận chuyển đi nhiều nơi một cách dễ dàng. Với chi phí rẻ thì có thể sản xuất với số lượng lớn để có thể trang bị cho các đội cứu hộ. Từ những thực trạng và ý tưởng trên nên tiểu luận “Phao cứu sinh điều khiển từ xa bằng RF” đã được thực hiện. 2 1.2 Tổng quan 1.2.1 Cơ sở lý thuyết Hiện nay có nhiều phương pháp để lựa chọcn điều khiển từ xa như: sóng hồng ngoại, đường truyền ADSL, mạng điện thoại, RF… Nhận thấy phạm vi đề tài còn nhỏ hẹp, kiến thức còn phải trang bị nhiều và tính chất chủ yếu của đề tài là khả năng ứng dụng cao và thân thiện với người dùng nên chọcn phương pháp điều khiển từ xa bằng RF và thiết bị được chọcn là bộ thu phát RF FlySky GT2 hoạt động trên tần số 2.4GHz, tầm hoạt động cho phép của bộ điều khiển vào khoảng 100m, cho phép điều khiển 2 kênh. 1.2.2 Giới thiệu về RF RF (hay còn được gọci là tần số vô tuyến) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô tuyến. RF thường được xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí, dù các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại. Các dòng điện dao động ở các tần số vô tuyến có các tính chất đặc biệt khác với dòng một chiều hay dòng xoay chiều dao động ở tần số thấp. Năng lượng trong một dòng điện RF có thể lan truyền trong không gian như các sóng điện từ (sóng vô tuyến), đây là cơ sở của công nghệ vô tuyến. Dòng điện RF không chạy trong lòng dây dẫn mà phần lớn lại chạy trên bề mặt của dây dẫn; điều này được gọci là hiệu ứng bề mặt. Vì lý do này, khi cơ thể con người tiếp xúc với các dòng điện RF công suất lớn có thể gây bỏng bề mặt da và còn được gọci là bỏng RF. Dòng điện RF có thể dễ dàng ion hóa không khí, tạo ra vùng dẫn điện qua nó. Đặc tính này được áp dụng cho các khối "cao tần" trong hàn hồ quang điện, cách hàn này sử dào điện ở tần số cao hơn so với phân bố công suất sử dụng. Đặc tính khác là khả năng xuất hiện dòng điện qua nơi chứa vật liệu cách điện, như chất li điện môi của một tụ điện. Khi dẫn điện bằng một dây cáp điện thông thường, dòng điện RF có xu hướng phản xạ không liên tục trong cáp chẳng hạn như trong các bộ đấu nối và phản xạ ngược trở lại nguồn, gây ra sóng đứng, do đó dòng điện RF phải được truyền trên một loại cáp đặc biệt gọci là đường dây truyền tải. 3 Để nhận được tín hiệu vô tuyến, người ta sử dụng anten. Tuy nhiên, anten sẽ nhận hàng ngàn tín hiệu vô tuyến cùng lúc, cần phải có một bộ dò sóng vô tuyến bắt được tần số muốn tìm (hay dải tần). Việc này thường được thực hiện thông qua một bộ cộng hưởng – trong dạng đơn giản nhất của nó, một mạch với một tụ điện và một cuộn cảm tạo thành một mạch cộng hưởng. Mạch cộng hưởng khuếch đại dao động trong một dải tần cụ thể, trong khi giảm dao động ở các tần số khác ngoài băng tần. Dù tần số vô tuyến là dải tần, nhưng thuật ngữ "tần số vô tuyến" hay từ viết tắt "RF" cũng được sử dụng như một từ đồng nghĩa với vô tuyến – tức là mô tả việc sử dụng các hình thức thông tin liên lạc không dây, ngược với kiểu thông tin liên lạc qua các bộ đấu nối điện[5]. 1.2.3 Phao cứu hộ EMILY Hình 1.1 Phao cứu hộ EMILY Phao cứu hộ EMILY được thiết kế và sản xuất bởi hãng Hydronalix (Arizona, Mỹ). Chỉ cần 30 giây là có thể triển khai EMILY, nó đạt tốc độ tối đa 39 km/giờ, nhanh hơn bất kỳ vận động viên bơi lội nào. EMILY hoạt động nhờ một ván trượt phản lực, hút nước từ phía trước, đẩy ra phía sau để tạo lực lướt tới. Nó có thể tự lật trở lại nếu bị những đợt sóng hung hãn đánh úp. 4 Nhân viên cứu hộ sẽ từ trên bờ điều khiển EMILY, giao tiếp với nó bởi một camera tích hợp và hệ thống radio hai chiều. Khi nạn nhân tiếp cận được với phao cứu hộ, nó sẽ quay trở vào bờ theo đường đi cũ. Phao EMILY đầu tiên được thiết kế vào tháng 9.2009 cho các nhà khoa họcc tại Cơ quan quản trị đại dương và bầu khí quyển Mỹ sử dụng. Đến tháng 3.2010, phiên bản mới của EMILY được sản xuất và cung cấp cho nhiều bãi biển tại Nam California. Phiên bản cơ bản của EMILY nặng 11 kg, được trang bị máy quét sonar để dò tìm nạn nhân. Hãng Hydronalix cho biết phiên bản tiếp theo sẽ nặng 9 kg và tốc độ tối đa có thể đến 51,5 km/giờ. Tốc độ cao chưa phải là ưu tiên hàng đầu vì chi phí đắt đỏ. Muốn đạt tốc độ trên 50 km/giờ và hoạt động liên tục 30 phút thì tiền chi cho khối pin lên đến 10.000 USD. Trong khi nếu ở tốc độ trung bình thì chi phí khối pin chỉ 1.400 USD. Phiên bản mà Hydronalix đang bán có giá 3.500 USD[6]. 1.2.4 Động cơ Brushless DC 1.2.4.1 Giới thiệu động cơ Brushless DC Brushless DC (BLDC) là loại động cơ có tốc độ cao, moment lớn, khối lượng nhỏ, có hiệu suất cao nhưng ít gây ra tiếng ồn thích hợp dùng cho các mô hình máy bay, tàu thuyền, xe cỡ nhỏ. BLDC thực ra không phải động cơ một chiều mà là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không chổi than (hay động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ) có yêu cầu cao về năng lượng cung cấp (dòng tiêu thụ 20-30A). Vì vậy, ta không thể sử dụng nguồn điện là pin một chiều để cấp nguồn trực tiếp cho động cơ BLDC được, do đó ta phải dùng thêm bộ điều tốc điện tử ESC (Electronic Speed Controller) có chức năng thay đổi dòng điện cấp và nhận tín hiệu điều biến độ rộng xung PMW để điều khiển động cơ BLDC. 5 Hình 1.2 Động cơ Brushless DC 1.2.4.2 Cấu tạo động cơ BLDC Động cơ BLDC gồm có 3 phần chính: Stator, Rotor và Hall sensor. - Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà ta thấy. Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể bỏ qua sự phức tạp này. Hình 1.3 Stator động cơ BLDC 6 - Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác, thường là nam châm vĩnh cửu. Hình 1.4 Rotor động cơ BLDC - Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọci tắt là Hall sensor. Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor. Hình 1.5 Hall sensor gắn trên Stator 7 1.2.4.3 Cấu trúc động cơ BLDC Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc loại nam châm hiếm như: AlNiCo, NdFeB, SmCO… Tuy nhiên hiện nay người ta thường sử dụng các loại nam châm hiếm vì chúng có từ dư lớn, từ tính ít thay đổi khi nhiệt độ tăng, khó bị khử từ…Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng phát triển mạnh các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng được cải thiện, chất lượng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ BLDC được chế tạo và ứng dụng nhiều hơn. Theo cách dán nam châm vào rotor động cơ ta phân thành hai kiểu rotor: rotor có nam châm dán trên bề mặt bên ngoài ( rotor-surface-mounted magnet) và dạng rotor nam châm nằm bên trong (interior magnets). Hình 1.6 Rotor-surface-mounted magnet Hình 1.7 Interior magnets 8 1.2.4.4 Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC 1.2.4.4.1 Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall Phương pháp này được dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ BLDC dùng tín hiệu đưa về từ cảm biến vị trí rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tương ứng. Giản đồ xung kích và dòng điện đóng ngắt tương ứng thể hiện ở trong biểu đồ về “tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha” dưới đây. Hình 1.8 Tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha 1.2.4.4.2 Điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách điều chỉnh điện áp ngõ vào Đây là phương pháp điều khiển giống với điều khiển động cơ DC thông thường. Tốc độ động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh điện áp DC cung cấp cho bộ khóa công suất. Điện áp ngõ vào được điều chỉnh sao cho tốc độ ngõ ra bám sát theo tốc độ đặt cho hệ thống. Để thay đổi chiều quay ta thay đổi các khóa công suất sao cho dòng điện chạy qua các cuộn dây các pha có chiều ngược lại. Trong phương pháp này các khóa bán dẫn chỉ có nhiệm vụ đóng hoặc cắt dòng điện qua nó. 1.2.4.4.3 Điều khiển bằng phương pháp PWM Trên cơ sở điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phương pháp điều chỉnh điện áp vào ta có thể áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ động cơ. Đây cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong điều khiển điện áp hiện nay. Với phương 9 pháp này điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất không đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khóa đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển. Phương pháp PWM có thể dùng cho khóa trên, khóa dưới hay đồng thời cả hai khóa trên và dưới cùng lúc. 1.2.5 Bộ điều tốc điện tử ESC Để điều khiển động cơ Brushless DC chúng ta không thể cắm trực tiếp vào nguồn điện một chiều mà cần phải thông qua bộ điều tốc ESC. ESC (Electronic Speed Controller) là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ BLDC thường được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình máy bay với đa dạng chủng loại và công suất. Đi đôi với những động cơ BLDC công suất lớn này đồng nghĩa với ESC phải chịu được công suất lớn thường thì phân loại theo dòng chịu đựng có thể từ 10A tới 100A. ESC có 3 dây đầu vào trong đó có 2 dây là nguồn cấp từ pin còn lại là dây tín hiệu điều khiển từ mạch trung tâm thường là tín hiệu PMW. Xung PMW có chu kì khá lớn từ 16-25ms, trong đó tín hiệu chỉ có ý nghĩa trong khoảng 2ms đầu tiên, phần còn lại dùng để đồng bộ. Tín hiệu ở mức 1ms ứng với tốc độ thấp nhất dùng để kích thích động cơ hoạt động, mức 2ms ứng với tốc độ cao nhất . Do vậy, tần số đáp ứng của ESC dùng PMW khá chậm khoảng 50Hz. Và đầu ra của ESC nối với động cơ cũng có 3 dây tương tự như đầu vào. Thường thì ESC có 8 dây, trong đó : - 2 dây là nguồn nuôi động cơ và mạch điều khiển. Nguồn này là nguồn công suất lớn, dòng tiêu thụ có thể lên đến trên 20A tùy loại động cơ. Nên ta có thể sử dụng pin lipo, hoặc nếu không mang tính di động ta có thể sử dụng nguồn xung (nguồn tổ ong) Ampe lớn để thử động cơ. - 3 dây kết nối với động cơ BLDC - 3 dây nhận tín hiệu điều khiển sử dụng như RC servo, lưu ý ở RC servo thì ta cần cung cấp nguồn để servo hoạt động nhưng ở ESC trong 3 dây này dây có ký hiệu màu đỏ (hoặc cam) sẽ cấp nguồn 5V ngược ra môi trường. (vào RX hoặc vi điều khiển). 10 Hình 1.9 Kết nối ESC với động cơ BLDC 1.2.6 Giới thiệu sơ lược về module Arduino 1.2.6.1 Tổng quan về Arduino Arduino là board mạch vi điều khiển mạch đơn được sử dụng để làm thiết bị điện tử cho các dự án đa lĩnh vực theo cách tiếp câ ̣n dễ dàng đối với người sử dụng. Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Các module Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy (DIY). Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở). Giá của một arduino dao động khá lớn vì có nhiều phiên bản khác nhau từ 10 USD đến hơn 100 USD. 11 Hình 1.10 Một module Arduino điển hình Board mạch: Vi điều khiển, nguồn cấp, cổng usb để kết nối PC, các I/O… Môi trường tích hợp IDE: Với nhiều hỗ trợ sẵn và có thể thêm từ cộng đồng. Cộng đồng phát triển: rộng lớn. Nguồn mở: Hardware và Software, cung cấp đầy đủ sơ đồ nguyên lý, thiết kế, mã nguồn…có thể sửa đổi cho phù hợp. Hệ thống module tiêu chuẩn: mỗi module là một chức năng (Việc thiết kế chính là kết hợp các khối chức năng đã chuẩn hóa). Để dễ hình dung, chúng ta hãy so sánh việc sử dụng một module arduino để thiết kế và dùng cách truyền thống với vi điều khiển: Bảng 1.1 So sánh giữa hai phương pháp thiết kế truyền thống và với Arduino STT 1 Phương pháp thiết kế truyền thống với vi điều khiển Đòi hỏi nhiều kĩ năng: Phương pháp thiết kế với Arduino (Open Hardware) Không đòi hỏi nhiều kĩ năng: - Hiểu biết chuyên sâu về linh kiện. - Tâ ̣p trung vào tư duy hệ thống. 12 - Vẽ mạch, hàn mạch. - Lâ ̣p trình được hỗ trợ bởi nhiều - Lâ ̣p trình (không có nhiều hỗ trợ thư viện chuẩn hóa của các module. sẵn có do module tự thiết kế không 2 3 4 5 chuẩn hóa). Thời gian hoàn thiện ý tưởng khá Thời gian hoàn thiện ý tưởng nhanh, lâu, dễ nản lòng. tạo hứng thú. Chú trọcng nhiều đến chi tiết (linh Tâ ̣p trung vào hệ thống, có thể thực kiện, chất lượng hàn mạch) ảnh hiện được các hệ thống phức tạp, hưởng đến thời gian phát triển hệ toàn diện. thống, giảm tính toàn diện. Phát triển được các kĩ năng thiết kế Phát triển kĩ năng tư duy lâ ̣p trình hệ mạch, hàn mạch, sửa lỗi. thống, phát triển các ứng dụng. Chỉ dành cho giới chuyên nghiệp, Dành cho cộng đồng rộng rãi hơn, có kiến thức nhiều mặt. không phân biệt lứa tuổi. Như vâ ̣y có thể dễ dàng nhâ ̣n thấy rằng, bất cứ một kĩ sư điện tử nào cũng đều phải nên trải qua giai đoạn thiết kế mạch với phương pháp truyền thống để bắt đầu làm quen với điện tử, họcc hỏi các kĩ năng cần thiết như thiết kế mạch, hàn mạch và sửa lỗi. Tuy nhiên, về sau thì việc sử dụng phương pháp này sẽ không hiệu quả, giảm năng suất, lãng phí thời gian, giải pháp là chuyển sang sử dụng những board mạch, module được thiết kế sẵn như arduino là một ví dụ nhằm làm tăng khả năng tư duy, lâ ̣p trình, tiết kiệm thời gian, nâng cao hiệu quả công việc. 1.2.6.2 Phần cứng Phần cứng bao gồm một bảng mạch điện tử dạng nguồn mở được thiết từ bộ vi xử lý 8-bit Atmel AVR, hoặc 32-bit Atmel ARM, Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép lâ ̣p trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra 13